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隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，有限元分析法在客車骨架設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，它避免了傳統(tǒng)的采用力學(xué)近似方法的局限性，而可以更加準(zhǔn)確全面地了解客車車身骨架的受力分布以及變形情況，深入了解車身骨架的承載特性是車身骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)。研究人員對客車骨架的建模、分析和優(yōu)化進(jìn)行了很多卓有成效的研究，如文獻(xiàn)中，曹文剛、高玉華對客車車身有限元建模方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)巨中，趙韓對各種單一工況下車身骨架進(jìn)行了有限元分析，文獻(xiàn)中馮國勝、鄧江華等運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)中，張代勝采用靈敏度分析的方法對客車車身進(jìn)行了輕量化研究。
以往的研究人員進(jìn)行客車骨架有限元分析時一般進(jìn)行單一工況的分析，而結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也一般是在單一工況分析的基礎(chǔ)之上進(jìn)行。而實(shí)際上客車的行駛工況非常復(fù)雜，有時可能會出現(xiàn)多種工況共存的情況，這比單一工況下的受力更加復(fù)雜，因而對車身骨架的影響可能更大些。文中作者對車身骨架影響較大的兩種組合工況，進(jìn)行了有限元分析，得出了客車骨架中的薄弱環(huán)節(jié)，并與單一工況有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出組合工況中的主導(dǎo)成分。這種組合工況的分析方法為客車有限元分析的工況選擇方面提供了新的參考。
文中所研究的半承載式客車車身骨架主要采用16Mn材料，其屈服強(qiáng)度為280-350 MPa�？蛙囓嚿砉羌懿捎镁匦位虍愋弯摴芙M焊而成的空間鋼架結(jié)構(gòu)，空間關(guān)系復(fù)雜，截面形式多樣，采用空間梁單元beam188，車架采用薄板單元shell63，空氣彈簧懸架，采用combin14單元，集中質(zhì)量單元如發(fā)動機(jī)、離合器等，采用mass21單元。對于單元尺寸的選擇，必須綜合考慮模型精度和計算效率。文中采用10 mm的單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保證客車模型具有足夠的計算精度和較高的計算效率。建模過程根據(jù)該型客車的CAD圖紙，在ansys中采用自下而上的建模方法，即建立關(guān)鍵點(diǎn)，通過關(guān)鍵點(diǎn)來創(chuàng)建線和面，生成車身的幾何模型。
根據(jù)梁單元的實(shí)際截面形狀和板單元的厚度定義單元的實(shí)常數(shù)，在網(wǎng)格劃分時賦予對應(yīng)的梁和板。根據(jù)相關(guān)研究和客車建模精度的實(shí)際情況，在建模中采用耦合和短梁方式對車身焊點(diǎn)進(jìn)行模擬分析。在不影響應(yīng)力和變形的情況下，根據(jù)實(shí)際需要，建模中采取了一些簡化措施：(1)忽略某些對整車結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載構(gòu)件。如側(cè)圍、走道和車頂?shù)囊恍┬∵B接件和支撐桿件；(2)忽略了車身蒙皮和玻璃等對總體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)作用，這將使得計算結(jié)果偏于安全；(3)主從節(jié)點(diǎn)原則。對于位置較近的節(jié)點(diǎn)采用適當(dāng)合并或“主從節(jié)點(diǎn)”的方式處理，避免實(shí)際計算中可能會導(dǎo)致的方程病態(tài)；(4)將曲率不大的桿件簡化為直桿。通過上述的方法，建立了整車的有限元模型，如圖所示。模型的規(guī)模信息：關(guān)鍵點(diǎn)4058個、直線6387條、節(jié)點(diǎn)16117個、單元14863個。
為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)客車實(shí)際承受載荷的情況，對有限元模型進(jìn)行加載約束，載荷主要包括：(1)車身骨架質(zhì)量，定義材料的密度即可；(2)車身整備質(zhì)量，發(fā)動機(jī)，變速器，離合器總成，蓄電池，油箱等底盤總成及其附件，用質(zhì)量單元直接創(chuàng)建在設(shè)備的質(zhì)心位置節(jié)點(diǎn)上，然后將該質(zhì)點(diǎn)與設(shè)備的支撐點(diǎn)剛性連接起來；(3)乘員、座椅、行李的質(zhì)量，按照均布載荷加載在相應(yīng)的梁上；(4)頂蓋上的空調(diào)機(jī)根據(jù)實(shí)際所占的面積以均布載荷的形式施加到相應(yīng)的頂蓋梁上。
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